リフレクトメーターチップを使用した非接触液面測定

液面レベルの測定は、空気誘電体伝送ラインをタンクの側面に配置し、RFインピーダンスを検出することにより、非金属タンクの壁を通して正確に測定できます。この記事では、リフレクトメーターデバイスがどのように設計を簡素化できるかを示す経験的な設計例を提供します。

機械的なフロートを伴う可能性のある流体レベル検知の従来の方法と比較して、反射率計ベースのアプローチには、次のようないくつかの利点があります。

• 高速でリアルタイムの液面レベル測定
• 広範な電子後処理が可能になります
• 非接触設計（液体の汚染なし）
• 可動部品なし
• 最小放射RFフィールド（遠方界キャンセル）
• 内部センサー用のタンクに穴がない（漏れの可能性を減らす）
• タンク内に電線や部品がないため、本質的な安全性

流体レベルの測定の概要

図1は、システム全体のブロック図を示しています。RF信号源は、反射率計がインラインに配置された、平衡および終端された空気誘電体伝送ラインを駆動します。

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図1.液面レベル測定システムのブロック図。 （出典：Analog Devices）

動作原理

空気中に吊るされた伝送線路は、低損失の導体と固体誘電体の欠如の結果として、正確な特性インピーダンスと低RF損失を実現するように設計できます。 EおよびHベクトルの古典的なプロットは、電界と磁界が導体の周りに集中し、それらの大きさが距離とともに非常に急速に減衰することを示しています。距離は、伝送線路構造自体のサイズと間隔に対して測定されます。流体タンクの壁や内部の流体などの近くの誘電体は、伝送線路の電気的特性を変化させます[1]。これは、アナログ・デバイセズのADL5920などの反射率計で簡単に測定できます。

詳細な説明

特定の特性インピーダンスZ _O 用に設計された空気誘電体の低損失伝送線路の場合を考えてみます。 放送中。伝送線路の近接場に流体などの誘電体が追加されると、次のようになります。

• 伝送線路の特性インピーダンスを下げる
• 伝播速度を下げて、ラインの有効な電気的長さを増やします。
• ラインの減衰を増やします。

これらの3つの効果すべてを組み合わせて、反射減衰量を減らすことができます。これは、反射率計デバイスまたは機器で直接測定できます。注意深い設計と校正により、反射減衰量を液体レベルと相関させることができます。

分析を簡単にするために、インピーダンスがZ _O に設定された図1の空気誘電体伝送ラインについて考えてみます。 ラインをタンクに取り付ける前に。行がZ _O で終了しているため 、理論的には、反射エネルギーはなく、反射減衰量は無限大です。

送電線がタンクの側面に取り付けられた後、1つの送電線が、直列構成でカスケードされた2つの別個の送電線として動作するようになりました。

• 液面より上では、タンク壁を除いて、伝送ラインは空気誘電体です。伝送ラインのインピーダンスZ _OA 空気誘電値Z _O からほとんど変化しません 。伝送線路の伝搬速度についても同じことが言えます。
• 液面レベルより下では、伝送線路インピーダンスZ _OF Z _OA と比較して低くなります 。電気的長さは、減衰と同様に効果的に増加します。これはすべて、伝送線路の近接場に余分な誘電体が存在するためです。

終端のインピーダンスZ _O 伝送線路の遠端では、伝送線路のソース端にある反射率計で測定すると変換されます。変換は、ほぼ図2に示すように、グラフィカルに表されます。Z _OF Z _O よりも低い 、矢印で示すように、時計回りのスミスチャートの回転が作成されます。

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図2.伝送線路の入力インピーダンスの拡張され正規化されたスミスチャート表現。トレースエンドポイントは、液体レベルが反射減衰量の測定値にどのように変換されるかを示しています。 （出典：Analog Devices）

伝送線路のインピーダンスが線路の端の抵抗終端と正確に一致している場合、伝送線路によるインピーダンス変換はありません。この条件は、1 +j0Ωの正規化されたインピーダンスを示す図2のスミスチャートの中心に対応します。反射減衰量は、 前に少なくとも26dBである必要があります。 送電線はタンクに取り付けられています。

空のタンクに送電線を取り付けた後、タンクの壁の材料が送電線に余分な誘電体材料を与えるため、Z _OA に対する送電線のインピーダンスが低下します。 、および図2に例示されているように、伝送線路の実効電気長をわずかに増加させるトレース1。反射減衰量は、約20dBでも十分に測定できるはずです。

タンク内の液体レベルが上昇すると、誘電体透過として空気の一部が液体に置き換わるため、伝送ラインのインピーダンスが低下します。 Z _OA であった伝送線路インピーダンス Z _OF になります 。したがって、スミスチャートの回転の中心は下に移動します。同時に、伝送線路の有効電気長が増加しているため、スミスチャートの回転量が増加します。これは、図2のトレース2とトレース3に示されています。その結果、反射率計は、ラインの発電機側での反射減衰量の低減を測定します。

リフレクトメーターは位相ではなく反射の大きさを測定するため、インピーダンス変換は、無効成分が負であるスミスチャートの下半分に制限する必要があります。そうしないと、インピーダンスがスミスチャートの中心に向かって変換され、マグニチュード測定があいまいになります。これは、満杯のタンクに接続されている送電線の電気的長さが90°以下であることを意味します。電気的長さが90°を超えると、測定された反射減衰量はフォールドバックしているように見えます。

ADL5920などの双方向RF検出器は、特性インピーダンスZ _O のRF伝送ラインに沿って、dBm単位で入射電力と反射電力の両方を測定できます。 =50Ω。これらの2つの読み取り値を差し引くと、反射減衰量がdB単位で直接測定されます。簡単に言うと、反射減衰量は、RFソースが負荷に接続されている場合に発生します。電力の一部は負荷に転送され、残りはソースに向かって反射されます。これら2つの電力レベルの違いは、反射減衰量です。これは基本的に、負荷がソースにどれだけ一致しているかを示す尺度です。

バランの目的

バランは、等しいが反対の極性のAC電圧で各導体を駆動するのに役立ち、したがって2つの主な目的に役立ちます。

• トランスミッションとの間の漂遊RF結合の低減これは、規制上の排出量と感受性コンプライアンスにとって重要です。キャンセルにより、いずれかの方向の遠方界EMIが減少します。
• 変換より高いインピーダンスは、伝送線路要素の間隔が広くなることを意味します。これは、コンテナへの電界の浸透が深くなることを意味します。その結果、反射減衰量と液面レベルの変化が大きくなります。これは、液面レベルの測定の感度が高くなることを意味します。

バランは、バンドパスフィルターの通過帯域全体にわたって良好な同相信号除去比（CMRR）を提供するように設計する必要があります。

バンドパスフィルターは必要ですか？

図1のオプションのバンドパスフィルターは、漂遊RFが伝送線路に結合する可能性がある場合に常に推奨されます。バンドパスフィルターは、Wi-Fi、セルラー、PCSサービス、陸上移動無線、および目的のソースと同じ周波数帯域にない他のすべての外部信号からの干渉を低減または排除するのに非常に役立ちます。

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最良の結果を得るには、バンドパスフィルターの設計で挿入損失を低く抑え、反射減衰量の測定値に見合った反射減衰量を実現することをお勧めします。つまり、可能であれば約30dB以上です。

基本的な設計手順

設計手順の概要はおおよそ次のとおりです。

• 送電線の長さに基づいて動作周波数を選択します。通常、送電線の長さはタンクの高さとほぼ同じか、それより少し長くなります。動作周波数は、伝送線路の長さが通常、空気中のRF波長の10分の1から4分の1になるように選択する必要があります。図3は、このおおよその周波数範囲を示しています。周波数が低いと反射減衰量と流体レベルの直線性が最も高くなり、周波数が高いと反射減衰量信号の範囲が広くなりますが、直線性はそれほど良くなく、測定のフォールドバックが発生する可能性があります（図2）。放射エミッションコンプライアンスが必要な場合、周波数は適用可能なISM周波数のリストから選択できます[2]。
• 選択した周波数または周波数帯域のバランを設計または選択します。バランは、集中定数LCまたは変圧器ベースにすることができます。バランは、バランスの取れた端で終了したときに優れた反射減衰量を示すはずです。
• 伝送の導体幅と間隔の寸法を計算するこの目的には、任意の伝送線路計算機（ATLC）などの伝送線路インピーダンス計算機が役立ちます[3]。

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図3.推奨される動作周波数と伝送線路の長さ。 （出典：Analog Devices）

簡単な設計例

デモンストレーションの目的で、自動車のフロントガラスウォッシャータンク用の液面モニターが考案されました。テストセットアップでは、液面測定のために、2つの同一のタンク間で水を移動します。そのうちの1つには、送電線が取り付けられています。

前の概要に従って：

• タンクの高さは約6インチ（15 m）であるため、約300 MHzのターゲットRF励起が適切です（図3を参照）。
• 次に、この周波数範囲用にLCバランを設計および構築します。 Z _O へのわずかなステップアップインピーダンス変換 液面変動に対する感度を高めることが望まれます[4]（図4を参照）。ネットワークアナライザまたは反射率計を使用して、伝送線路を接続する前に、固定抵抗終端をバランに直接接続して、シングルエンドポートで約30dB以上の反射減衰量を確認します。
• 並列伝送線路は、Z _O を使用して設計および製造されています。 以前に使用された抵抗値に等しい。伝送ラインは回路内に接続されており、抵抗の終端はラインの端に移動します。図4と図5を参照してください。ネットワークアナライザまたは反射率計を再度使用して、反射減衰量が良好なままであることを確認します（約25dB以上）。

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図4.液面検知の例に使用されるバランと送電線。 （出典：Analog Devices）

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図5.タンクに取り付ける前の、個別のバランと終端された送電線。 （出典：Analog Devices）

これで、図6に示すように、伝送線路をタンクの側面に取り付けることができます。空のタンクに取り付けた場合、追加の誘電体層としてのタンク壁材料の離調効果により、反射減衰量がわずかに低下するのが普通です。伝送線路。

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図6.タンクの側面に取り付けられた送電線を示す設計例（出典：Analog Devices）

テスト結果の例

図7は、完全なテストセットアップを示しています。送電線はタンクの側面に取り付けられており、タンクには制御された方法で充填および排出するための設備があります。 Analog DevicesのDC2847Aのような評価キットを使用すると、反射率計の測定結果を簡単に読み取ることができます。この評価キットには、順方向および反射型検出器のアナログ電圧を読み取るためのミックスドシグナルMCUが含まれています。 PCソフトウェアは、結果を時間に対してグラフ形式で自動的にロードして表示します。反射減衰量は、順方向電力と反射電力の測定値の差として簡単に計算できます。図7は、設計例の完全なテストセットアップを示しています。

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図7.設計例の完全なテストセットアップ（出典：Analog Devices）

この設計例では、2つのタンクの1つでポンプを作動させることにより、液面条件が確立されます。ポンプが稼働しているときの質量流量は比較的一定であるため、理想的には、タンク内の液面は時間に対して直線的に上昇します。実際には、タンクの断面は上から下まで完全に一貫しているわけではありません。

図8は、液面が満杯から空になったときのテスト結果を示しています。流体がタンクから汲み出されるとき、前方への電力は一定に保たれますが、反射された電力は比較的直線的に低下します。

t =33秒で、勾配の目に見える変化が発生します。これは、タンクの設計によるものと考えられます。図7に示すように、タンクの断面積はタンクの下端で縮小され、ポンプモーター用のスペースが作成されます。これにより、必要に応じてシステムファームウェアで簡単に修正できる測定の非直線性が導入されます。

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図8.テスト結果の例と液体レベルの比較。液面レベルの測定は、本文に記載されているタンクの設計による例外を除いて、線形で単調です。（出典：Analog Devices）

キャリブレーション

最高の精度を得るには、反射率計の校正が必要です。キャリブレーションは、反射率計内のRF検出器の製造上のばらつき、つまりスロープとインターセプトを補正します。 DC2847A評価キットは、図8に示すように、個別のキャリブレーションをサポートします。

より高いレベルでは、液面レベルと反射減衰量の関係も校正する必要があります。これは、次の不確実性の原因が原因である可能性があります。

• 送電線とタンク壁の間の距離の製造変動。
• タンクの壁の厚さの変化。
• 流体および/またはタンク壁の誘電特性は、温度によって異なる可能性があります。

系統的な非線形性が存在する可能性があります。たとえば、図8で観察される勾配の変化です。線形補間を使用する場合、この場合は3つ以上のポイントキャリブレーションが必要になります。

すべてのキャリブレーション係数は通常、システムの不揮発性メモリに保存されます。これは、組み込みプロセッサアプリケーションの未使用のコードスペース、または専用の不揮発性メモリデバイスである可能性があります。

流体レベルの測定の制限

リフレクトメーターの指向性は重要な仕様です。伝送線路がそれ自体のZ _O で正確に終端されている場合、バラン損失を無視します。 、反射電力はゼロになり、反射率計は独自の指向性仕様を測定します。指向性の仕様が高いほど、反射率計が入射波と反射波の大きさを正確に分離する能力が高くなります。

ADL5920の場合、指向性は1GHzで通常20dBと指定され、100MHz以下で通常約43dBに増加します。これにより、ADL5920は、タンクの高さが約30 mm以上の液面測定に最適です（図3を参照）。

アプリケーション拡張機能

一部のアプリケーションでは、基本的な非接触液面測定の原理をいくつかの方法で拡張できます。例：

• 電力を節約するために、測定は低デューティサイクルで実行される場合があります。
• 液体レベルが一定に保たれている場合、反射減衰量の測定値は、対象となる別の液体特性と相関する可能性があります。たとえば、粘度やpH。
• 各アプリケーションは一意です。たとえば、アプリケーションに応じて、スケールの下端で、またはその逆に比べて、スケールの上端でより高い精度を提供する可能性のあるいくつかの手法があります。
• タンクが金属製の場合、送電線は内部に入る必要があります。用途によっては、送電線が水没する場合があります。
• 複数のRF電力レベルでの測定は、外部RF干渉が原因となるエラーであるかどうかを識別するのに役立ちます。多くのシングルチップPLLデバイスは、この機能をサポートしています。これは、システムの信頼性テストまたはセルフテストになります。
• タンクの2つまたは4つの側面にある送電線センサーは、1つの軸または2つの軸に沿ったコンテナの傾きを補正できます。
• 液面レベルのしきい値測定が目標である場合、より高い周波数で動作する1つまたは複数のより短い送電線が適切な解決策になる可能性があります。

結論

ADL5920などのシングルチップ反射率計デバイスの開発により、流体レベルの計装などの新しいタイプのアプリケーションがもたらされます。長年使用されてきたメカニカルフロートなどの可動部品を排除することで、信頼性が大幅に向上します。石油および燃料レベルの監視も可能であり、多くの新しい産業および自動車アプリケーションを開拓します。

脚注

1流体の存在は、伝送線路のインピーダンス、損失、および伝播速度に影響を与えます。

2産業、科学、および医療の頻度。 en.wikipedia.org/wiki/ISM_band にアクセスします 。

3 ATLC：任意の伝送線路計算機（伝送線路および方向性結合器用）。 atlc.sourceforge.net にアクセスします 。

4インピーダンスのステップアップが大きすぎると、伝送線路の設計が困難になり、伝送線路の損失が過剰になる可能性があります。

謝辞

著者は、Michiel Kouwenhoven、James Wong、Bruce Nguyen、およびJohnChungに感謝します。彼らの指導と助けがなければ、この記事は不可能でした。